液壓沖擊的分析計(jì)算及減小措施

徐成東

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程系，四川618000)

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液壓沖擊的分析計(jì)算及減小措施

徐成東

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程系，四川618000)

從液壓沖擊發(fā)生的機(jī)理出發(fā)，提出造成液壓沖擊的兩大因素是管道閥門突然關(guān)閉和運(yùn)動部件迅速制動或換向，并對其分別進(jìn)行了詳細(xì)的分析和計(jì)算，提出了具體的減小措施。

液壓沖擊；減小措施；壓力

在液壓系統(tǒng)中，常常由于某些原因而使液體壓力突然急劇上升，形成很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊[1]。

系統(tǒng)中出現(xiàn)液壓沖擊時，液體瞬時壓力峰值比正常工作壓力大好幾倍。液壓沖擊會損害密封裝置、管道或液壓元件，還會引起設(shè)備振動，產(chǎn)生很大噪聲。有時，液壓沖擊使某些液壓元件(如壓力繼電器、順序閥等)產(chǎn)生誤動作，影響系統(tǒng)正常工作，甚至造成事故[2]。

引起液壓沖擊的原因大致分為兩類：管道閥門突然關(guān)閉和運(yùn)動部件迅速制動或換向。

1 管道閥門突然關(guān)閉時引起的液壓沖擊及減小措施

設(shè)管道截面積為A，產(chǎn)生沖擊的長度為l,壓力沖擊波傳播的時間為t,液體的密度為ρ，管中液體的流速為v0，閥門關(guān)閉后的流速為零，壓力沖擊波在管中的傳播速度為c，液壓沖擊發(fā)生后壓力的增量為Δp，由動量定理得：

Δp·A=ρAlv0/t

因此Δp=ρl v0/t=ρcv0

沖擊波在管中的傳播速度c計(jì)算如下[3]：

因此，壓力的增量Δp可表示為

變形得

式中,K為液體的體積模量；d為管道的內(nèi)徑；δ為管道的壁厚；E為管壁材料的彈性模量。

將壓力增量Δp看成液體的體積模量K的函數(shù)，求導(dǎo)并整理得：

從式中可看出，由于液流初始速度v0、管道的內(nèi)徑d、管道的壁厚δ、液體的體積模量K、管壁材料的彈性模量E、液體密度ρ等參數(shù)均為正值，因此壓力增量Δp對液體的體積模量K的導(dǎo)數(shù)值dΔp/dK恒大于零,即在其它參數(shù)保持不變的前提下，壓力增量Δp為液體的體積模量K的增函數(shù)?？梢姡后w的體積模量K越大，發(fā)生液壓沖擊后造成的壓力增量Δp越大，壓力峰值也越大。

通過上述分析可以看出，液壓沖擊發(fā)生后壓力的增量Δp跟液流初始速度v0、管道的內(nèi)徑d、管道的壁厚δ、液體的體積模量K、管壁材料的彈性模量E、液體密度ρ等有關(guān)。為了減小管路中閥門突然關(guān)閉時造成的液壓沖擊，可采取下列措施：

(1)在滿足使用要求的前提下，選用密度較小的液壓油和彈性模量較小的管路材料，并減小管路壁厚、增大管路內(nèi)徑。

(2)降低液流速度。

(3)必要時可考慮使用體積模量較低的液壓油。液壓油的體積模量降低時，發(fā)生液壓沖擊后的壓力增量Δp減小，壓力峰值也隨之減小。然而，液壓傳動的一個缺點(diǎn)是因介質(zhì)的可壓縮性而無法保證嚴(yán)格的傳動比，所以只有在對運(yùn)動精度和傳動比要求較低的場合才可以考慮使用彈性模量較低的液壓油。

2 運(yùn)動部件迅速制動或換向時引起的液壓沖擊及減小措施

由于液壓沖擊是短時間動態(tài)的過程，且影響因素較多，因而難以進(jìn)行精確計(jì)算?？蓮哪芰哭D(zhuǎn)換的角度分析其規(guī)律。

2.1 等效體積模量的引入和計(jì)算

液體因所受壓力增高而發(fā)生體積縮小的性質(zhì)稱為可壓縮性。液體壓縮系數(shù)的倒數(shù)稱為液體的體積模量。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于液體內(nèi)容易混入空氣等污染物，而且液壓缸缸筒、管道或其它液壓元件等會在壓力的作用下發(fā)生變形，工程中常用等效體積模量來表示液體抵抗壓縮能力的大小[4]，它是等效壓縮系數(shù)的倒數(shù)。

根據(jù)體積模量的定義可知：

式中，Ke為液體的等效體積模量；V為液體的初始體積；Δp為壓力的變化量；ΔV為受壓后油液體積的變化量。

此處，將液壓缸看作薄壁圓筒型容器并取該密閉容器及其內(nèi)的液體作為研究對象。設(shè)總?cè)莘e為V,液體的體積為VL，容器容積為VC，液壓沖擊后壓力的增量為Δp，總?cè)莘e變化量為ΔV,其中液體的體積變化量為ΔVL，容器容積增加量為ΔVC，則有ΔV=ΔVL-ΔVC。代入上式得：

由于不考慮空氣的存在，此處認(rèn)為液體體積VL等同于總?cè)莘eV, 因此上式演變?yōu)?/p>

式中，KL為液體體積模量；KC為容器體積模量。

圖1為一充滿壓力油的液壓缸受力示意圖。

由于液體的自重所產(chǎn)生的壓力極小，完全可以忽略，因而認(rèn)為液壓缸內(nèi)各點(diǎn)油液的壓力處處相等。仍然把液壓缸看作薄壁圓筒型容器，以單位長度的容器為研究對象，設(shè)容器內(nèi)壁直徑為D。由數(shù)學(xué)及物理學(xué)知識可知，作用在容器內(nèi)壁上的油液壓力的合力大小等于靜壓力p和曲面在垂直于計(jì)算作用力方向的投影面積D的乘積，方向平行于X軸方向。于是有：

圖1 液壓缸受力示意圖

Figure 1 Schematic diagram of hydraulic cylinder force

Fx=Dp

取單位長度容器進(jìn)行分析，由材料力學(xué)知識可知，在縱向斷面處，其所受的內(nèi)力為:

N=σA′=2σδ

式中，σ為容器縱截面上的內(nèi)應(yīng)力；δ為容器壁厚；A′為單位長度容器縱截面面積。

內(nèi)力N的方向同樣平行于X軸方向。由于容器處于受力平衡狀態(tài)，因此作用在縱向截面上的內(nèi)力N和作用在容器內(nèi)壁上的油液壓力的合力Fx大小相等，方向相反，即

Dp=2δσ

整理得

設(shè)容器材料的彈性模量為E，受到應(yīng)力σ后引起的應(yīng)變?yōu)棣?則σ=Eε，代入上式得：

根據(jù)體積模量的定義，容器的體積模量為：

代入式3得到油液的等效體積模量Ke的表達(dá)式：

2.2 液壓沖擊時壓力增量的計(jì)算及減小措施

圖2為一受液壓缸驅(qū)動的運(yùn)動部件迅速制動的示意圖。

圖2 受液壓缸驅(qū)動的運(yùn)動部件

迅速制動示意圖

Figure 2 Schematic diagram of rapid braking of

moving parts driven by hydraulic cylinder

當(dāng)執(zhí)行元件驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，如果在某一瞬間，通過控制閥關(guān)閉執(zhí)行元件的進(jìn)回油管路，則運(yùn)動部件會在瞬間停止運(yùn)動。不考慮熱能損失，根據(jù)能量守恒定律，運(yùn)動部件的動能和液流的動能全部轉(zhuǎn)化為液體的壓力能。

假設(shè)運(yùn)動部件制動前液流的初始速度為v0, 液體密度為ρ，液體所占的體積為V， 運(yùn)動部件的質(zhì)量為M，發(fā)生液壓沖擊后的壓力增量為Δp。液壓沖擊發(fā)生前的動能為液流的動能與運(yùn)動部件的動能之和，即ρVv02/2+Mv02/2。液壓沖擊發(fā)生后的壓力能為VΔp2/2Ke，式中Ke為液體的等效體積模量。依照上述分析有：

整理上式后得到壓力增量Δp的表達(dá)式：

將式4代入上式得：

將發(fā)生液壓沖擊后的壓力增量Δp看作是液體的體積模量KL的函數(shù), 求導(dǎo)并整理得：

不難發(fā)現(xiàn)，由于等號右邊各類參數(shù)均為正值，因此壓力增量Δp對液體的體積模量KL的導(dǎo)數(shù)值dΔp/dKL恒大于零,即壓力增量Δp為液體的體積模量KL的增函數(shù)?？梢?，液體的體積模量KL越大，發(fā)生液壓沖擊后造成的壓力增量Δp越大，壓力峰值也越大。

采用同樣方法可得出類似結(jié)論：壓力增量Δp同樣為容器材料的彈性模量E、容器壁厚δ的增函數(shù)。

此外，通過式5可知，當(dāng)運(yùn)動部件的質(zhì)量M增大或液壓油的密度ρ增大時，壓力增量Δp隨之增大。容器的內(nèi)徑D增大時，壓力增量Δp隨之減小。

通過上述分析可知，針對運(yùn)動部件迅速制動或換向時引起的液壓沖擊，可采取以下減小措施：

(1)限制運(yùn)動部件的運(yùn)動速度。在不影響系統(tǒng)正常工作的前提下，適當(dāng)降低運(yùn)動部件的速度可減小液壓沖擊。

(2)在可行的情況下，降低運(yùn)動部件的質(zhì)量。質(zhì)量越小，液壓沖擊時引起的壓力增量越小，產(chǎn)生的壓力峰值就越小。

(3)在滿足系統(tǒng)要求的前提下，使用體積模量較低的液壓油。

(4)在滿足使用要求的前提下，選用密度較小的液壓油和彈性模量較小的缸筒材料，并減小缸筒壁厚、增大缸筒內(nèi)徑。

(5)在沖擊源處設(shè)置蓄能器、安全閥，可在液壓沖擊發(fā)生時吸收或釋放沖擊能量，起到過載保護(hù)作用。由于直動型溢流閥反應(yīng)靈敏，因而安全閥最好使用直動型溢流閥。如果是雙作用液壓缸或者液壓馬達(dá)，安全閥一般成對使用，且安裝方向相反。另外，使用橡膠軟管可有效吸收產(chǎn)生的壓力沖擊，降低壓力峰值。

此外，正確、合理、科學(xué)地使用、維護(hù)與保養(yǎng)液壓系統(tǒng)、元件、工作介質(zhì)，努力控制液壓污染的發(fā)生，對于防止或減小液壓沖擊等故障都是大有益處的。如果不及時對液壓系統(tǒng)或者說系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)液壓元件進(jìn)行正確、科學(xué)的維護(hù)和保養(yǎng)，久而久之，可能會造成液壓元件的功能受限甚至動作失靈。液壓油內(nèi)的污染物危害極大，目前采用的各類液壓閥仍然為傳統(tǒng)的滑閥結(jié)構(gòu)，當(dāng)污染物在各類控制元件內(nèi)積聚時，可能會堵塞滑閥閥芯通道、阻尼孔等，進(jìn)而會影響控制閥閥芯的功能，造成閥芯運(yùn)動時出現(xiàn)遲緩、卡阻等故障，最終造成各類不良現(xiàn)象，包括液壓沖擊。

4 結(jié)論

液壓沖擊是液壓系統(tǒng)工作過程中必然發(fā)生的一種現(xiàn)象，形成的原因也是多種多樣的。液壓沖擊的本質(zhì)是液體流速的突變或運(yùn)動部件迅速停止的一瞬間發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換過程。到目前為止，要完全避免和消除沖擊對液壓系統(tǒng)造成的的危害是不可能的，也是不現(xiàn)實(shí)的[5]。但是，這并不意味著我們對液壓沖擊現(xiàn)象束手無策。要減小液壓沖擊，一方面要設(shè)法降低系統(tǒng)中液流速度的突變；另一方面要采取措施吸收或釋放液壓沖擊時產(chǎn)生的急劇增加的壓力，降低壓力峰值。廣大從業(yè)人員應(yīng)加強(qiáng)對液壓沖擊的研究，擴(kuò)充自己的理論知識、提高自己的技術(shù)水平和不斷總結(jié)使用過程中的經(jīng)驗(yàn)。可通過對系統(tǒng)回路的改進(jìn)以及液壓元件的重新選型來加以控制和消除[6]，同時也要重視對液壓系統(tǒng)及時的維護(hù)和保養(yǎng)。條件具備時，可通過計(jì)算、實(shí)驗(yàn)?zāi)M等手段積極尋找所用液壓系統(tǒng)的改進(jìn)措施，把液壓沖擊的危害降到最低限度，確保液壓系統(tǒng)運(yùn)行時的安全和效率。

[1] 毛智勇, 劉寶權(quán). 液壓與氣壓傳動[M] 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2008(1)：16.

[2] 李芝. 液壓傳動[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2001：32.

[3] 章宏甲，黃誼. 液壓傳動[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1998：45.

[4] 張庚云. 煤礦機(jī)械中液壓沖擊的機(jī)理分析與控制方法[J]. 煤礦機(jī)械，2010,31(9):171-173.

[5] 侯順強(qiáng)，程居山，張麗麗. 液壓沖擊產(chǎn)生的原因分析及其減小、排除措施[J]，煤礦機(jī)械，2005(5):133-135.

[6] 王志武. 掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)液壓沖擊的分析與處理[J]. 機(jī)床與液壓，2013,41(4):108-109.

編輯 李韋螢

Analysis and Calculation of Hydraulic Impact and its Reduction Measures

Xu Chengdong

Based on the occurrence mechanism of hydraulic impact, it is put forward that two causes of hydraulic impact are sudden closing of the pipeline valve and quick braking or reversing of the moving part. Detailed analysis and calculation have been performed respectively and specific reduction measures have been proposed.

hydraulic impact; reduction measures; pressure

2016—06—30

徐成東(1982—)，男，碩士，工程師，四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程系教師，主要從事工程機(jī)械液壓系統(tǒng)分析及故障診斷方向的教學(xué)與研究。

TP271+.31

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